（材料加工工程专业论文）热顶电磁成型系统模拟与实验研究.pdf

热顶一电磁成型系统模拟与实验研究 摘要 本文将热顶铸造的思想引入到电磁连铸中，即在结晶器上加热顶，可减小液面波动， 稳定弯月面；适当减小结晶器的高度，可削弱结晶器对磁场的屏蔽作用，提高电源效率。 本文针对热顶一电磁连铸过程进行了模拟与实验研究，测量了电磁连铸结晶器内的磁感 应强度，找出其基本分布规律，并确定了电磁连铸的合理工艺参数；用有限元法进行了 三维电磁场数值模拟；计算了结晶器高度和线圈结构位置等对结晶器内部磁场的影响规 律，结果表明：降低结晶器的高度可使结晶器内磁场分布略有提高，但是感应线圈的高 度对磁场影响显著，2 0 m m 高线圈的磁感应强度较4 0 r a m 的提高8 5 ；将热顶引入电磁 连铸技术上，模拟其对结晶器内部磁场的影响规律，模拟结果还显示热顶结构对磁场强 度与分布影响不大。为熟顶一电磁连铸系统设计提供了依据。 依据电磁场的实验和模拟结果设计了一套完整的热顶一电磁连铸成型系统。包括结 晶器、感应器、冷却水套、热顶等的设计。应用设计的电磁连铸成型系统进行了大量工 艺实验，确定了合理的液柱高度、浇注温度、冷却水量和铸造速度等工艺参数，并成功 制取了表面较光亮的铝合金圆锭。 关键词：数值模拟，电磁场，电磁连铸，热顶，铝合金 垫堡二皇壁垡型至丝堡型复壅墼婴堑 a b s tr a c t i nt h i sp a p e r , t h ei d e ao f h o t - t o pi sl e a d e di nt h ee l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g ，t h e h o t t o p w h i c hi sa d d e do nt h em o l dc a r lr e d u c et h es u r f a c ef l u c t u a t i o na n ds t a b i l i z et h e m e n i s c u s r e d u c i n gt h eh e i g h to f t h em o l dc a l lw e a k e nt h es h i e l d i n ge f f e c to ft h em o l da n d i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e r a i ma th o t - t o pe l e c t r o m a g n e t i c c o n t i n u o u sc a s t i n g ， s i r e u l a t i o na n de x p e r i m e m a lr e s e a r c hh a v eb e e nd o n e ，t h ed i s t r i b u t i o no ft h em a g n e t i cf l u x d e n s i t yi nc o n t i n u o u sc a s t i n gm o l d w a sm e a s u r e da n dt h er a t i o n a lt e c h n i q u ep a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e db yl o t so fe x p e r i m e n t s t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h o dh a sb e e nu s e dt o n u m e r i c a l l y s i m u l a t et h ei n f l u e n c e so nm a g n e t i cf l u xd e n s i t ya n dt h ed i s t r i b u t i o ni nt e r m so ft h eh e i g h to f t h em o l da n dt h es t r u c t u r eo ft h ei n d u c t o r , t h er e s u l t ss h o wt h a tr e d u c i n gt h eh e i g h to ft h e m o l dc a ne n h a n c em a g n e t i cf l u xd e n s i t yi nt h es y s t e m ，b u ti ti s n to b v i o u s ，t h eh e i g h to ft h e i n d u c t o rh a sm e a s u r a b l ye f f e c to nt h em a g n e t i cf i e l d u s i n gt h ei n d u c t o rw i t h2 0 m m h e i g h t c a ni n c r e a s et h em a g n e t i cf l u xd e n s i t yt o8 5p e r c e n tt h a n u s i n g t h ei n d u c t o rw i t h4 0 r a m h e i g h t a n dt h es i m u l a t i n gr e s u l t ss h o wt h a th o t t o ph a s h to b v i o u si n f l u e n c eo i lt h em a g n e t i cf l u x d e n s i t y a n d d i s t r i b u t i o n t h e r e b y , f o u n d a t i o n i s s u p p l i e d t o d e s i g n i n g t h e h o t t o p e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，as e to fh o t t o pe l e c t r o m a g n e t i c c o n t i n u o u sc a s t i n gs y s t e mi n c l u d i n g m o l d ，i n d u c t o r , c o o l i n gw a t e r j a c k e ta n dh o t t o ph a sb e e n e s t a b l i s h e d u s i n gt h i ss y s t e m ，t h er a t i o n a lt e c h n i q u ep a r a m e t e r ss u c ha st h ep o u r i n g p o s i t i o n p o u n n gt e m p e r a t u r e ，c o o l i n gw a t e rs t r e n g t ha n dt h ec a s t i n gs p e e dh a v eb e e nd e t e r m i n e db y l o t so f e x p e r i m e n t s ，a n da ni n g o tw i t hs m o o t hs u r f a c eh a sb e e no b t a i n e d k e y w o r d s ：n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ，e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u s c a s t i n g h o t t o p ，a i a l l o y i i 热顶电磁成型系统模拟与实验研究 1 前言 1 1 引言 材料科学是现代文明的三大支柱之一，是国民经济及其它高新技术发展的基础和先 导。随着现代科技的飞速发展，对材料提出了越来越高的要求。任何种类材料能否被广 泛使用、有无生命力是由该材料的性能决定的。对金属材料而言，决定材料性能的关键 是其冶金质量。在材料加工领域，开发新技术，采用新工艺以获得高品质的铸坯，是制 备高质量材料的前提，晶粒尺度变小、强度提高、韧性增加是金属材料的发展方向。电 磁技术用于材料的成型过程是电磁学、物理冶金、流体力学等多学科的综合交叉运用， 经过许多科研和生产工作者的不懈努力，材科电磁加工这门学科得到了空前的发展。电 磁铸造作为一门独特的材料加工技术，以其卓越的优点已日益引起人们的重视。顺应材 料发展潮流的电磁铸造技术必将在新世纪发挥更加重要的作用。 计算机在材料加工工程中的应用大大降低研究成本，缩短研究时间，将经验转化为 规范，促进了材料科学的发展。把计算机技术引入电磁铸造领域必将有力地促进电磁铸 造技术的推广应用。计算机模拟是材料科学研究的热点之一，普通铸造过程的计算机模 拟如温度场、应力场、凝固组织的模拟计算已取得较成熟的经验。如果将理论、实验、 计算结合起来，可以就电磁铸造中的某些课题进行研究，实际解决一些工艺问题，并为 今后进一步用数值模拟手段研究电磁铸造技术莫定基础。 1 2 电磁铸造技术的原理 二十世纪六十年代，前苏联科学家g e t s e l e v t l 】等人根据电磁感应原理发明了电磁铸 造( e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ，简称e m c ) 技术。电磁铸造是利用电磁感应原理实现的无模 连续铸造技术，其原理如图1 1 所示。当感应器线圈中通过交变电流而时( 图1 1 ( a ) ) ， 在线圈内产生交变电磁场h ，磁场作用于液体金属形成与j o 方向相反的感应电流j ；磁 场与感应电流交互作用产生向内的电磁力f = j b ，f 从侧面约束金属熔体使其保持柱 面；在感应器下方喷水冷却，液态金属与感应器无任何物理接触，在保持自由表面状态 下水冷凝固。当电磁力与液体静压力保持平衡( 如图1 1 ( b ) ，p 。= p 。= pg h ) 时，才能获得 稳定的断面形状。图l 一1 ( a ) 中屏蔽罩的作用是使电磁力的分布近似于液体静压力的分布， 并减弱液面附近电磁搅拌引起的熔体流动，使液柱保持稳定。底模向下移动，从上方不 断注入金属液，保持液柱高度h 不变，就可连续铸造出表面光滑的铸锭。 热项一电磁成型系统模拟与实验研究 图1 - 1电磁铸造技术的基本原理 f i gi - 1p r i n c i p l eo f e m c ( b ) 电磁铸造中各物理量满足m a x w e l l 基本方程。设交变电磁场中各量均为正弦波，方 程组可以写成 ： 式中 v = j v e = 一i w b v b = 0 j = 叮( e + “b ) b = 儿h 电磁力的计算式为： f - n b v j 毋聊么( 1 - 6 ) ，己u，u 上式第一项为无旋项，表示电磁压力的大小；第二项则为有旋项，代表了电磁搅拌 力的量值。 1 。3 电磁铸造技术的历史与发展 1 3 1 连铸技术的产生及优点 铝的连续铸造是e m c 的基础。早在1 8 5 6 年，英国人b e s s e m e r 就首次尝试用双辊 机铸造金属薄带，并于第二年获得有关这种技术的世界第一项专利 引。随后几十年，各 国专家针对铸带厚度不均匀、组织严重偏析、辊子严重磨损和带坯边部碎裂等进行了研 究，并首先在有色金属带材上获得成功。1 9 3 5 年，a l c o a 公司及v l w 公司的直接水冷铸 造( v e r t i c a ld i r e c tc h i l ic a s t i n g 一简称d c 法) 是现代铝连铸的开端f “。采用这种半连续 铸造方法生产铝合金铸锭具有占地少、成本低、效率高等优点，并大大改善了劳动条件。 酉 山 固 川枷 0 0 m 0 “ 热顶电磁成型系统模拟与实验研究 因此，d c 法在有色金属铸造中得到迅速发展。普通d c 法所采用的设备和工艺均比较 简单，其装置示意图如图1 2 所示。当液态金属注入水冷结晶器内时，由结晶器壁的一 次冷却和结晶器下部的二次喷水冷却使其凝固，金属液在结晶器内结壳，由铸机牵引底 模向下运动形成连铸过程。由于铸锭与结晶器之间存在滑动摩擦且在结晶器内凝固时出 现二次重熔现象，用d c 法铸造时，即使是a i m g s i 类的建筑型材铝合金其表层显微组 织也明显不同于内部的显微组织。一是枝晶网粗、枝晶间距( d e n d r i t e a r ms p a c i n g d a s ) 大；二是有反偏析区( i n v e r s es e g r e g a t i o nz o n e ) ；三是晶粒尺寸( g r a i ns i z e ) 大和有冷隔 层f c o l df l o d s ) 。这些问题导致轧制加工时产生裂边( e d g ec r a c k i n g ) 及氧化条纹 ( a n o d i g i n gs t r e a k s ) ，大大影响铸锭的质量。 铸造 方向 图1 - 2 直接水冷铸造装置简图 f i z 1 2s c h e m a t i cd i a p r a mo f d i r e c tc h i l lc a s t i n z 品嚣 图1 - 3 热顶铸造结构简图 f i g1 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f h o t t o pc a s t i n g 研究发现减少结晶器壁的导热，缩 短两次冷却间距减少回热区都可以改善 显微组织和枝晶尺寸，并使铸锭有较光 滑的表面，这样可以降低对铣面的要求。 改进结晶器内的润滑系统、缩短结晶器 高度、降低结晶器内的液面高度等措箍 都可以在一定程度上改善铸锭的表面质 量。后来开发的隔热模铸造和热顶铸造， 目的都是缩短一、二次冷却间隔。热顶 ( h o t t o p ) 铸造方法实验装置如图1 3 所示【7j ，这一方法通过在结晶器顶部加 一绝热材料制成的热顶，可使金属液与 模壁接触点下移而且在结晶器上部衬贴 比结晶器导热一陛差的石墨，一次冷却减 弱，成壳后又很快见水二次冷却，最大限 度地缩短了两次冷却间距，即尽可能地 减少回热区，避免金属重熔的产生，当 铸造速度和热顶内液态金属的静压力配 合适当时，可以实现改善表面质量的目 的【8 】。新近发展的连铸技术是在热顶工 艺基础上的锭与结晶器壁间喷注润滑油 空气或润滑油一隋性气体的两相润滑 技术，如美国w a g s t a f f 公司的“空气滑 动法( a i rs l i p l ”、德国v a w 公司的“空 气幕法( a i rv e i l ) ”以及日本昭和铝公 司的“空气缓冷法( a i rc u s h i o n l ” 9 1 。 这些工艺都采用短结晶器的铸造过程， 目的还是减弱一次冷却时的冷却速率， 通过大大降低冷却模壁的热传递来提高 表面层和近表面层的质量。如日本昭和 热顶电磁成型系统模拟与实验研究 铝在热顶基础上压入空气于凝固铝和模壁面之间，可减少模壁接触导热( 一次冷却) 三 分之- z 以上，其激冷区极浅，形成的铸锭表面非常光滑。目前铝合金d c 法的趋势是尽 可能减小结晶器区的冷却。使用结晶器的目的只局限于维持液柱成型及防止漏铝发生。 此外还有横向( 水平) 连续铸造方法，如 图l 一4 所示。此种方法投资少于立式连铸，但由 于重力作用，铸锭截面的上下部组织有差异。 可以看出采用热顶铸造、油气润滑模铸造 或其它一些对d c 进行改进的方法，虽然铸锭质 量能有所改善但相应也使工艺及装备变得复 杂，对操作者的素质要求也更高。 在发展了热顶铸造、水平铸造、熔体轧制 等新工艺之后，又出现了具有极大优势的电磁 铸造技术。电磁铸造技术在二十世纪的产生与 液态金属 图i 4 水平连续铸造结构简图 f i g 1 - 4 s c h e m a t i cv i e wo fh o r i z o n t a l d i r e c tc h i l lc a s t i n g ( h d c ) 发展要归功于电璐流体力学( m a g n e t o h y d r o d y n a m i c s m h d ) 在冶金中的应用。对金属 流体施加电磁场，根据电磁感应原理，可以在金属流体中产生电磁力的作用。电磁力具 有非接触地对金属流体产生加热、搅拌及制动等功能。1 8 2 3 年，法拉第就开始测量流体 在磁场中的流动。1 0 0 年后，q m u c k 提出了悬浮熔炼的专利。1 9 6 1 年l a n g e n b e r g 提 出交变电磁场可以使钢锭的组织细化，揭开了电磁技术在冶金及材料加工领域应用的序 幕。然而，直至1 9 8 2 年在英国召开的国际力学理论和应用联合会议上才第一次出现了 材料电磁加工的技术术语【】。近几年来，材料的电磁加工广泛应用于有色金属和黑色金 属的冶金过程及其它材料加工领域，极大地推动了材料科学的飞速发展。 因为液态金属在电磁力约束下不与铸模接触，在保持自由表面的状态下凝固，其表 面接近镜面，又由于它受到磁场的电磁搅拌作用，金属的内部组织得到改善，具有优异 的性能。与普通连铸法生产的铸锭相比，e m c 法有以下优点： f 1 1 铸锭表面质量优良 铸锭表面光滑，在压力加工前可以不铣面或少铣面】。而d c 法生产的铸锭表面不 可避免地有偏析瘤、冷隔和拉伤等缺陷，水冷铸模与金属间气隙的存在常使铸锭边部出 现成分偏析和晶粒粗大等问题，轧制前必须进行铣面处理，铣面量软合金为5 1 0 r a m ， 硬合金为1 5 2 5 m m 。另外，d c 法生产的铸锭由于热轧产生裂边问题，还必须进行切 边加工。所以，e m c 法提高了金属利用率，节省了能源，减少了加工工序； f 2 ) 铸锭组织性能优良 电磁铸造中液态金属在电磁力约束下水冷强迫凝固，电磁搅拌作用使铸锭的内部组 织致密、均匀，消除了d c 法铸锭表面层附近出现的粗大晶粒带，因而材料的力学性能 特别是压延性能大大提高j ； ( 3 ) 铸造速度高，一般比d c 法提高i o 3 0 ，提高了生产效率： ( 4 ) 具有经济优势。 由于铸锭具有光滑的表面，进一步加工前可以少铣面或不铣面，金属利用率高，节 省能源和材料，降低了生产成本。电磁铸造也不再需要铸锭与结晶器之间的润滑系统， 降低了设备开支。 4 热顶电磁成型系统模拟与实验研究 1 3 2 电磁铸造技术的国内、外研究动态 1 9 6 0 年，前苏联的g e t s e l e v 提出了电磁铸造的概念，并于1 9 6 6 年在实验室条件下 用电磁铸造法制得了第一个铸锭【1 】。1 9 6 9 年在工业上铸造出直径为2 0 0 5 0 0 m m 毫米的 圆锭，并将这一工艺向捷克、东德、匈牙利等东欧各国推广。1 9 7 3 年，美国的k a i s e r 公司 1 2 】、瑞士a l u s u i s s e 公司引进e m c 专利，a l c o a 、r e y n o l d s 、p e c h i n e y 、三菱、住 友等公司的大型铝厂也先后从a l u s u i s s e 公司引进e m c 技术i 】4 。”，1 9 8 5 年的铸锭产量 已达4 5 万吨。 电磁铸造技术在铝合金扁、圆锭的生产上取得成功后，人们又不断地探索其在其它 合金上应用的可能性。美国o l i n 公司研究了铜及其合金的电磁铸造并获得成功 16 - 1 7 。锌 合金的电磁铸造也有专利报道 1 引。古井光明等研究了镁合金的电磁铸造，提出了相应的 装置【9 1 。 另一方面，研究者也在进行不同形式的电磁铸造设备的设计，使之满足不同要求。 美国o l i n 公司发明了一种生产透平机叶片的电磁铸造法，其结晶器可由一齿轮带动旋 转，感应线圈作成透平机叶片的截面形状。在电磁铸造过程中，调节外加电流的大小可 以改变铸锭的截面尺寸，齿轮缓缓转动，使拉出铸锭成螺旋型【2 0 1 。美国g e 公司开发出 一种专门用于生产管和棒材的上引式电磁铸造法( g e l e c 法，g el e v i t a t i o n e l e c t r o m a g n e t i cc a s t i n g ) 2 1 o 浅井滋生首先提出铝薄板的水平电磁铸造方法【2 “，美国能 源部申报了用交变电磁场进行水平电磁铸造铝薄板的专利。水平电磁铸造可制取板、带 材。但在磁场设计、凝固控制和铸造工艺等方面存在相当大的难度。迄今为止，薄板水 平电磁铸造技术尚未实用化。 自从得到实际应用以来，多年的工业实际生产证明了电磁铸造技术不仅具有较高的 经济效益，而且工艺安全可靠。目前，西方发达国家利用电磁铸造技术生产的铝合金铸 锭产量逐年上升。仅瑞士a l u s u i s s e 公司的电磁铸造铝合金铸锭产量到1 9 9 6 年就已达1 8 0 万吨，且以每年8 1 0 万吨的速度递增【2 。 我国的电磁铸造技术研究起步也比较早。1 9 7 4 年，东北轻合金加工厂就开始对电磁 铸造铝合金进行研究，经过6 年的时间完成了电磁铸造铝合金圆锭的工业性实验，所得 铸锭的质量明显提高，可直接进行压力加工。由于缺乏基础理论和配套设备的系统研究， 工艺操作难度较大，没有实现自动控制，致使这一技术实际上被搁置起来，未能在生产 中发挥应有的作用1 2 “。1 9 8 6 年，在中国有色金属总公司的主持下，将铝台金方锭的电 磁铸造技术列入国家攻关计划，组织西南铝加工厂、北方工业大学、东北轻合金加工厂 和大连理工大学共同进行开发研究，取得了一系列成果【2 “。8 0 年代末，西南铝合金厂 引进了尚处于试验阶段的原民主德国的电磁铸造技术，经过多年的试验和研究，实现了 铝合金电磁铸造的批量化生产【2 “。近年来，已经开始进行双锭电磁铸造的理论和实验研 究 2 7 - 2 8 。 大连理工大学电磁铸造实验室在国家自然科学基金和辽宁省科学基金的支持下，在 金俊泽等教授的领导下进行了电磁铸造的中试实验，建立了中试基地，开展了大量的工 艺参数的优化选择和感应器结构的优化设计等研究工作。1 9 9 3 年成功地铸出了 5 2 0 x1 3 0 m m 2 及咖1 8 0 m m 的多种铝合金铸锭【2 ”“。1 9 9 9 年在辽宁自然科学基金的资助 下，本研究室进行了铝薄板电磁铸造技术的研究，张兴国提出铝薄板热顶一电磁铸造技 热顶电磁成型系统模拟与实验研究 术，完成了电磁成型系统的设计，成功地铸造出宽4 8 0m m 、厚2 0i y l m 、高8 5 0n l r f l 且 表面光亮的铝薄板，这在国内外尚属首次陟3 5 】； 1 9 9 9 年又成功的完成了中2 6 0m m 纯 铝的一机双锭工艺装备的开发3 6 】。另外本研究室对电磁铸造过程的电磁场、温度场和 应力场进行了数值模拟的研究，总结出一套工业生产实用的关键技术，取得了许多有意 义的结果 3 7 - 3 8 】。 1 4 电磁连铸技术的原理及研究概况 1 4 1 电磁连铸技术的原理 电磁连铸技术是将电磁搅拌技术引进到钢的连铸技术中，从而发展起来的一种较新 的金属成型方法。目前依然是国际连铸技术的前沿和热点研究课题之一。 铡的产量巨大，如果将无模电磁铸造技术运用到连铸钢的生产中将大大改善钢坯的 表面质量，消除轧制中产生的各种缺陷，显著提高组织和机械性能：但是1 ) 钢的密度 大，约是铝的三倍，若要形成与铝相同高度的液柱，磁感应强度则需铝的1 7 倍；2 ) 钢 的电导率低，仅为铝的1 6 ，而且趋肤深度大，在相同电源参数下钢表面形成的感应电 流密度小，电磁推力也小；3 ) 钢的熔点高，难于凝固。因此，类似于铝合金的无模电 磁铸造难于应用于钢，目前尚无实用的钢电磁铸造技术获得成功。 基于上述原因，法国学者v i v e s 等人利用结晶器和电磁场共同约束钢液，提出了钢 圈 缝隙 图1 5 钢电磁连铸方法示意图 f i g ，- 5s c h e m a t i cd i a g r a m o f e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n go f s t i l l 坯的有模电磁连铸，即软接触结晶器连铸的设 想【3 。软接触结晶器连铸是利用冷坩埚磁悬浮 熔炼的原理，在钢坯结晶器外部加装感应线 圈，使金属液在高频电磁场中产生感应电流， 感应电流与磁场作用形成电磁压力，而电磁力 降低了铸坯和结晶器间的接触压力和振动摩 擦力( 由此被称为“软接触”) ，使保护渣的渗 流通道通畅，结晶器振动所致的表面振痕减 轻。同时，改变了弯月面与结晶器之间的接触 角，从而提高了铸坯的表面质量。另外，高频 电磁场对钢液的感应加热作用部分地改变了 铸坯初生坯壳的温度梯度及其与结晶器之间 的散热条件，使铸坯的等轴晶区扩大，内部晶 粒细化，成分均匀，起到改善铸坯内部质量的 作用。其基本原理如图l 一5 所示。 日本学者浅井滋生等极大地发展了这种 技术f 4 0 42 1 ，他们在普通水冷连铸结晶器上均匀 地切割出多条微小缝隙( 大约o 4 r a m ) ，并在其外侧放置高频感应线圈施加交变电磁场 靠电磁力实现金属液与铸型的“软接触”，使钢坯表面质量得到大大改善。 6 热顶电磁成型系统模拟与实验研究 1 4 2 电磁连铸技术的研究概况 日本新日铁公司自8 0 年代末一直开展钢的电磁连铸研究工作并取得了较好的结果。 他们在传统的铜结晶器外施加了6 0 h z 的工频电磁场，并且用于不锈钢圆坯的连铸拉坯 实验，结果表明，施加电磁场不仅可以使铸坯表面振动痕减轻，而且可以消除n i 元素 的表面偏析m 】。李廷举、浅井滋生等研究了高频交流电磁场作用下连铸铸型内金属液的 运动和铸坯的表面质量，用中碳钢进行了连铸实验 4 4 1 。在浇注温度1 5 6 0 、铸速 0 5 m m i n 、振动振幅4 m m 等条件下，获得铸坯的表面状况如图1 - 6 所示。在不施加电 磁场时，表面有明显的振痕，施加电磁场后，铸坯表面质量得以明显改善，而且在一定 范围内随电源功率的增加，表面光洁度也得以提高。 0 k w6 0 k w1 0 3 k w 图1 。6 电磁连铸和普通连铸铸坯表面质量对比 f i g 1 6s u r f a c ec o m p a r i s o no f s t e e lb i l l e tw i t ha n d w i t h o u tm a g n e t i cf i e l d1 0 0 1 0 0 r a mc r o s ss e c t i o n 日本的丸川净雄和小北雅彦【4 5 】等也进行了类似的实验研究，韩国浦项产业科学研究 院也采用低熔点金属完成了实验室规模的板坯连铸实验，并且把不同频率磁场对连铸坯 作用效果进行了比较和分析 4 ”。 另外，软接触电磁连铸技术在国内也掀起了研究热潮，我国正开展9 7 3 超级钢项目 研究，本研究室也承担了该研究项目的一部分工作，现正在李廷举教授的带领下积极探 索钢的电磁连铸技术 4 7 - 4 8 并取得了丰硕的成果。在“电磁连续铸造技术的研究与应用” 项目中，于国内首次成功地实现了小方坯钢无结晶器振动下的电磁连铸，使铸坯的表面 质量大幅度改善。并且，首次提出了电磁连铸和电磁净化相结合的电磁复合铸造法，铝 合金铸坯表面光洁，凝固组织由粗大的、不规则的等轴晶，转变为细小的、均匀的等轴 晶组织p ”。 1 5 电磁连铸过程的数值模拟研究动态 电磁连铸过程是在温度场、电磁场、流速场等复杂三维场的综合作用下的液态金属 凝固成型的过程。感应器电流频率高，磁场分布不均匀，液穴内由于电磁搅拌而存在熔 体流动，边界条件复杂，另外还存在结晶器部分的感应加热作用，e m c 过程应观测物理 现象的多样性，使锝e m c 的实验研究昂贵且困难。因此，数值计算和仿真模拟成为人 热顶电磁成型系统模拟与实验研究 们研究e m c 技术的重要手段。 由于流动、传质、传热过程交互作用，相互影响，对电磁铸造工艺过程进行数值分 析需同时考虑控制的m a x w e l l 方程、o h m 定律、控制流动的n a v i e r - s t o k e s 方程及热传 导方程。m a x w e l l 方程和o h m 定律的结合通常称为电磁方程组；n a v i e r - s t o k e s 方程和紊 流模型的结合则称为紊流流体流动方程；热传导方程则用来分析凝固过程及温度分布。 上述方程的同时联立求解、耦合计算被认为是求出精确解的方法，但过程复杂、也很困 难。在许多情形下，上述问题可以近似地逐步求解【5 。 国外从8 0 年代初开始了这方面的研究。j d l a v e r s 5 1 】和m r 。a l u m e d f 5 2 1 首先进行了 圆锭电磁铸造的电磁场数值模拟的计算。b q l i 和j w e v a n s t 5 3 - 5 4 提出了模拟圆锭的电 磁铸造的二维和三维模型，模拟出电磁场、流速场和金属的液柱形状。j r a p p a z 和 w t a o u z a i l p 副提出了用来模拟扁锭的二维模型，假设扁锭的宽度为无穷大，把三维问题简 化为二维问题。而且他们同时考虑到了电磁场、流速场和温度场。d e c o o k 和 j w e v a n s 睁6 ”1 提出真正意义上的三维扁锭计算机模型。通过此模型，得到了电磁铸造过 程的电磁场、液柱形状和流速场，并得到了实验的验证。d ，c p r a s s o 等人相应地建立了 扁锭铸造的三维温度场模型，并利用该模型模拟了截面为1 0 2 0 x 7 6 0 r a m 的31 0 4 和5 1 8 2 合金铸锭的温度场，讨论了铸造速度和冷却强度对液固界面的影响。此外，k u r z 和 f i s h e r l 5 8 1 对电磁铸造的微观组织进行了模拟预测。 在国内，大连理工大学凝固数值模拟研究室对电磁铸造的电磁场、温度场、应力场、 凝固组织进行了数值模拟分析。金俊泽等针对e m c 过程从浇注开始到稳态凝固之间的 过渡阶段傲了三维非稳态数值计算【5 ”，该模型考虑了电磁铸造是半连续的过程，并且考 虑了感应热，将感应热以温度的形式补偿到计算单元中。郑贤淑等针对铝大板坯的半连 铸特点，用三维非稳态热传导方程描述空间非稳态非齐次热传输问题，进一步优化了温 度场计算模型口“。朱晓鹰等对电磁铸造的电磁场进行了数值计算，初步建立了与本研究 室实验条件相符的e m c 数学、物理模型】。此外，国内许多学者也进行了这方面的研 究【6 。”j 。东北大学的赫冀成以及北方工业大学的韩至成等对方坯电磁铸造中三维电磁场 进行了数值模拟计算 6 5 。”j ，北京科技大学的周土平等对电磁铸造的流场进行了数值模拟 【6 7 】。 1 6 本文的研究目标和主要工作内容 对于铝合金的电磁连铸，本研究室已经获得成功并确定了合理的工艺参数 6 引。针对 铝合金的电磁连铸中存在的液位稳定控制的问题，本文提出了热顶一电磁连铸技术，即 将热顶铸造的思想引入到铝合金的电磁连铸中。同时为了获得更强的磁场并且有效地发 挥电源效率，本文应用有限元软件模拟了不同条件下的结晶器内的电磁场，用以指导成 型系统的设计。 为了成功的完成铝合金热顶一电磁连铸成型实验，必需设计合理的成型系统，并进 行相关的工艺参数的研究。基于上述研究目的，本人在硕士论文期间的主要研究内容如 下： 1 ) 铝合金电磁连铸实验研究 测量了不同条件下的磁场分布情况； 热顶- 电磁成型系统模拟与实验研究 经过工艺实验确定了浇注温度、液面位置、铸造速度和冷却水量等工艺参数。 2 ) 电磁连铸过程磁场的数值模拟 - 建立了三维有限元模型； 模拟计算了结晶器高度、线圈高度、结晶器与线圈结构位置以及热项等对结晶器 内部磁场的影响规律。 3 ) 铝合金热顶一电磁连铸成型系统的设计 包括结晶器、线圈、热顶、以及冷却水的设计。 4 ) 铝合金热顶一电磁连续铸造的工艺研究 测量了系统内磁场的分布； 进行了电磁连铸成型实验，研究了各种工艺参数的影响； 确定了热顶一电磁连铸工艺参数。 热顶电磁成型系统模拟与实验研究 2 铝合金电磁连铸磁场的实验研究 2 1 电磁连铸的基本装置 2 1 1 基本装置 铝合金圆锭电磁连铸的实验装置主要由电磁成型系统、熔化与浇注系统、冷却系统、 拉坯控制系统及电源组成。实验装置简图如图2 1 所示。 1 流槽2 结晶器3 感应器4 冷却水5 铸锭6 底模7 铸机 图2 - 1 铝合金圆锭电磁连铸的实验装置示意图 f i g 2 一ls c h e m a t i cd i a g r a mo f e l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u s c a s t i n go f a l u m i n u ma l l o yr o u n db i l l e t 装置的核心部分是用来使熔融金属保持形状的电磁成型系统，主要由结晶器、感应 线圈及底模等组成。结晶器采用厚8 m m 的紫铜板制成内径为巾1 2 0 m m 的圆形结构，高 度为1 2 0 m m ，结晶器外部通水冷却。在结晶器的上部靠近熔融金属液面附近的地方与 铸造方向平行的开设了2 4 条宽度为o 4 m m 、长l o o m m 的缝隙，缝隙间用绝缘材料填充。 缝隙的上端距结晶器顶面1 0 m m ，不仅能增加结晶器的刚度，同时由于结晶器项部的磁 屏蔽作用可以削弱上部的磁场 6 。结晶器开缝的目的是提高电磁场的透过率，结晶器切 缝越多，铸锭表面的磁感应强度、电磁力和电磁压力越大，但切缝达到一定数量，透过 软接触结晶器的磁力线密度趋于饱和，继续增加切缝数其透磁效果并无明显改善，反而 会降低结晶器的强度：靠近切缝处的磁场较强，两缝中间处的磁场较弱，液态金属所受 约束力的大小也因此不同，表现为靠近切缝处的金属因受较强磁场的作用而形成明显的 凹陷，从而导致铸坯表面出现纵向波折缺陷。实验表明，减小切缝的宽度可使线圈高度内 的磁场分布趋于均匀化。因此，结晶器的设计采用“多分瓣，窄切缝”的原则【7 。感应 器为导电性能良好的单匝水冷铜线圈，产生交变电磁场，线圈高4 0 r a m ，厚5 m m 。 中频电源可以输出频率分别为1 0 0 0 h z 、2 5 0 0 h z 、5 0 0 0 h z 和1 0 0 0 0 h z 的交变电流。 中频淬火变压器可将电源输出的高电压低电流转化为低电压高电流，供感应器产生交变 电磁场。 1 0 热顶电磁成型系统模拟与实验研芄 熔化设备为碳硅棒加热反射式电阻炉。浇注控制系统采用熔化炉与流槽双级控制。 控制熔化炉出1 2 1 的铝液流量，保持流槽内的金属液面高度恒定；调整流槽的浇注量，使 对于不同铸造速度时的液柱顶面位嚣稳定在固定高度。 冷却系统由蓄水池、冷却水套、流量控制器和一系列水路组成，用于结晶器、中高 频电源、淬火变压器、电磁感应器和铸锭的冷却。铸锭的喷水方式采用水孔直喷式，水 流与铸锭表面基本成直角。 拉坯控制系统使用变频器调整调速电动机的转数，经过齿轮调速后拖动铸造平台上 下移动，铸造平台的最大移动速度为3 0 c m m i n ，最大行程为l m 。 图2 2 是实验装置的实体照片。 图2 2 电磁连铸实验装置 f i g 2 2p h o t o g r a p ho ft h ee l e c t r o m a g n e t i cc o n t i n u o u sc a s t i n g 2 1 2 铝圆锭电磁连铸的工艺流程 ( 1 ) 调整电磁感应器、冷却水套和底模的水平与相对位置； ( 2 ) 启动铸机，将底模升入结晶器中，使其顶面位于感应器底部位置： ( 3 ) 从预热炉中取出流槽，迅速安放在预定位置： ( 4 ) 启动中高频电源，调整感应器的电磁参数至规定值。 ( 5 ) 打开冷却水，并调整到适宜的水量： ( 6 ) 浇注液态金属到底模中，当形成的半悬浮金属液柱高度达到一定值时，开启拉坯 系统，使铸速按一定的模式由初始速度逐渐过度到稳态。 ( 7 ) 当铸造过程进入到稳态阶段后，铸造速度基本保持恒定，严格控制浇注速度，使 其与铸造速度相匹配，直至铸造过程完毕。 2 2 磁场的实验研究 在铝合金的电磁连铸过程中，由于采用了软接触式开缝结晶嚣，会对电磁场的分布 产生很大的影响。电磁场在成型系统中的透过效率得到提高，同时也使结晶器内电磁场 的分布变得更复杂。合理均匀的电磁场分布是实验成功进行的重要条件，因此，进行磁 场的测量和研究十分必要。在完成实验装置的设计和电磁参数的基本选择之后，需要对 热顶一电磁成型系统模拟与实验研究 磁场强度和电磁压力进行实际的测量和计算。通过实测找到结晶器内磁场的分布规律， 就可以确定最大磁感应强度所在的位置，将液一固界面控制在该处就可以最有效地利用 电磁约束力，保证半悬浮液柱的成型。本文采用小线圈法测量了空载时结晶器内在高度、 半径方向及不同功率条件下的磁场分布情况。在此基础上，对电磁场的施加功率和金属 的液面位鼍进行了选择。 2 2 1 磁场的测量 ( 一) 测量方法 电磁铸造条件下的电磁场为复杂的三维场，涡流的存在、高的电流频率使磁场分布 很不均匀。根据电磁感应原理，本文用小线圈法测量空载条件下结晶器内的磁感应强度 分布。 当小线圈置于磁场中时，小线圈在电磁场的作用下将产生感应电动势。通过测量小 线圈的感应电动势，利用下式来计算磁感应强度： 占：j l ( 2 1 ) 2 z f n s 式中：b 为磁感应强度，t ；e 为感应电动势，v ：f 为电源频率，h z ；n 为线圈匝 数；s 为线圈有效面积，m2 。 本实验中，f = 2 5 0 0 h z ，n = t 6 ，s = 2 5 4 1 0 。m 2 。当电磁压力和静压力相平衡时，金 属液柱达到稳定状态。测得磁感应强度值后，可以通过下式计算电磁压力： p。：_b2(2-2) 以2 五 式中：p m 为电磁压力，p a ；为磁导率，。，。硒= 4 r e x l 0 h i m 。 ( 二) 磁场测量位置 由于铝圆锭结晶器具有结构上的对称 性，故在磁场测量时可只选取在半径方向 上的几个测点即可。测点位置如图2 3 所 示，图中r 坐标轴上i 9 点距铸锭中心距 离分别为0 、1 0 、2 0 、3 0 、3 7 、4 3 、4 9 、 5 4 、6 0 m m 。h 坐标轴上l 1 l 点距结晶 器底端分别为0 、1 5 、3 0 、4 0 、5 5 、6 5 、 7 5 、8 5 、9 5 、1 0 5 、1 2 0 m m 。线圈底部距结 晶器底部2 0 m m 。 h l 、29 图2 - 3 测量点位置示意图 f i 口2 3s k e t c hm a oo fm e a s u r el o c a t i o n r 垫堡：皇壁堂型墨竺堡型兰兰墅堕至 一 2 2 2 测量结果分析与讨论 图2 - 4 是实测的空载条件下结晶器内开缝处磁感应强度在结晶器高度方向上的分 布，电源功率为1 0 k w ，频率2 5 0 0 h z 。 3 0 h2 5 j i 2 0 喜 ；1 5 尝1 0 ： 墨5 0 uz40 t i t g u l u u【z ul 4 0 h m m 图2 _ 4 结晶器高度方向的磁场分布( 缝隙处) f i 9 2 4 d i s t r i b u t i o no f m a g n e t i c f l u xd e n s i t y a l o n g t h eh e i g i l to f t h ei n g o t ( a ts l o t s ) 由图可见，在距铸锭边部不同的位置，磁感应强度沿结晶器高度方向的分布规律基 本一致，但是，越靠近结晶器中心，磁感应强度最大值越小，且最大值所处位置上移。 例如，在r = 6 0 m m ，h = 4 0 m m 时( 即感应器中心处) 磁感应强度达到最大2 8 m t ，而当 r = 5 4 m m 时，则在h = 5 5 m m 时磁感应强度最大。进行铝合金电磁连铸实验时，为使电 磁场充分作用于弯月面区域来实现软接触凝固，应将凝固位置控制在磁感应强度最大位 置处，即使初期凝固壳位于磁场最强的位置。依据本试验的结果，液一固界面应控制在 h = 4 0 m m 处。 0l 】2 03 04 0 r r a m 图2 - 5 结晶器径向磁场分布伪l 隙处) f i 9 2 5d i s t r i b u t i o no f m a g n e t i c f l u xd e n s i t ya l o n g t h er a d i u so f t h ei n g o t ( a ts l o t s ) 图2 - 5 是实验测得的结晶器壁开缝处磁感应强度在结晶器半径方向上的分布情况。 眄鲫坩m； 巴e、。一l】。】j一一uj。cy! 热项电磁成型系统模拟与实验研究 可以看出，在铸锭的边部，磁感应强度最大，并向中心逐渐衰减。尤其在靠近边部1 0 m m 的范围内，磁场的衰减更为明显，表现了明显的趋肤效应。 2 5 鼍2 0 兰 j 喜】5 ； = = i o 董 自 墨5 。 。 图2 - 6 结晶器高度方向的磁场分布( 两缝隙中间处) f i g2 6d i s t r i b u t i o no f m a g n e t i cf l u xd e n s i t ya l o n gt h e h e i 曲to f t h ei n g o t ( b e t w e e nt w os l o t s ) 图2 - 6 为实测